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離心式壓縮機喘振問題研究及解決方案
1 引言
HR9-040-5空壓機為美國 Atlas 公司制造的帶中間冷卻器的二級離心式空氣壓縮機。該機組經(jīng)一級壓縮后，通過中間冷卻器冷卻，由二級吸入壓縮，再經(jīng)后冷卻器冷卻后送到用氣部位。投入使用7 年后該機組先后出現(xiàn)了送氣溫度高，機組效率下降，喘振等現(xiàn)象。
2 問題的提出及分析
產(chǎn)生喘振的原因主要有以下幾點：
（1）機組流道縮小，造成效率降低
停機檢查，葉輪及流道內(nèi)污垢較多，對蝸殼及葉輪進(jìn)行清洗后開機試車運行仍未見好轉(zhuǎn)；
（2）機組出氣口堵塞
檢查霧滴捕集器內(nèi)的絲網(wǎng)，未見異常；
（3）機組內(nèi)部通道發(fā)生堵塞
將空氣冷卻器拆出檢查，發(fā)現(xiàn)鋁翅片間布滿灰塵，空氣冷卻器堵塞嚴(yán)重。但是此類型翅片強度極低，在清洗時容易造成翅片倒伏，影響換熱效果及清洗效果。必須更換冷卻器芯體。
同時經(jīng)過對機組拆檢發(fā)現(xiàn)，由于空氣冷卻器芯體密封膠條老化脆斷造成熱空氣短路致使送氣溫度升高；由于空氣冷卻器芯體被塵埃堵塞提高了吸、排氣阻力使機組效率下降；而中冷器的塵埃灰垢被壓縮空氣帶入二級葉輪并附著在上面使流道狀況惡劣引起壓縮空氣旋轉(zhuǎn)脫離，嚴(yán)重時便出現(xiàn)了喘振。由此可見，機組出現(xiàn)異常的主要原因是空氣冷卻器故障。
在空氣冷卻器出現(xiàn)短路時，曾試圖用聚四氟板（耐高溫、不易老化）來代替膠條，但實際效果不太理想。因為密封膠條呈倒“ V ”字形扣在冷卻器的擋風(fēng)板上，而冷卻器芯體長3.6米，一端固定。當(dāng)壓縮空氣吹向芯體時，造成芯體漂移，使密封用聚四氟板移至出氣口，擋住部分出氣口，同時造成密封墊被破壞，引起短路。故決定更新空氣冷卻器芯體。
由于此設(shè)備為進(jìn)口設(shè)備，如果進(jìn)口空氣冷卻器，一是生產(chǎn)周期長，二是造價較高，為了生產(chǎn)急需，同時鑒于上述冷卻器的缺點，最終提出了改變冷卻器的結(jié)構(gòu)形式且由自己制造。
3 對策
對原有的冷卻器形式進(jìn)行分析，當(dāng)空壓機工作時，造成冷卻器芯體受力。按材料力學(xué)公式建立模型，見圖 1 �？梢杂嬎愠鲂倔w的漂移距離為20mm 。而實際冷卻器芯體密封墊與排氣口的距離為15mm 。
經(jīng)過借鑒其他冷卻器的形式，決定采用如下的結(jié)構(gòu)形式：
（1）將整體鋁翅片串片式的結(jié)構(gòu)改為銅翅片纏繞式結(jié)構(gòu)，提高翅片強度便于今后清洗。增加傳熱系數(shù)。加強制冷效果。
（2）在有效的空間內(nèi)增加換熱管數(shù)量，保證并提高冷卻效果。
（3）改變原來的密封形式。在殼體上焊接擋風(fēng)板，并將不銹鋼彈簧板固定在擋風(fēng)板上，利用空氣的壓力將密封片緊緊壓在冷卻器的上下支撐板上。
（4）在殼體上焊接軌道，在芯體上安裝滾輪方便拆裝。
（5）在冷卻器進(jìn)出口安裝壓力表，便于隨時檢查冷卻器的情況，以確保機組正常運行。
在確定上述方案后，先在后冷卻器芯體上試驗。經(jīng)過對殼體及原冷卻器芯體的精確測量，設(shè)計出圖紙，再經(jīng)過認(rèn)真核對尺寸，將圖紙上未反映出的設(shè)計思路重新進(jìn)行了修正。后冷卻器芯體首先制作完成。結(jié)構(gòu)見圖2。安裝完成后經(jīng)開機檢驗，進(jìn)出冷卻器壓差降為0.0025MPa ，比原來低0.015MPa 。同時解決了后冷卻器芯體串氣的問題。在筒體上焊接完后，由于此設(shè)備屬于壓力容器，對所有焊縫進(jìn)行了無損探傷，合格后投入使用。
在更新后冷卻器芯體后，經(jīng)實際運行，機組的喘振周期延長，但還有喘振現(xiàn)象。經(jīng)過對中間冷卻器芯體檢查發(fā)現(xiàn)，堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重，經(jīng)過加前后壓力表觀察，發(fā)現(xiàn)前后壓差達(dá)到0.04MPa 。而二級的吸入壓力較低，這很可能是造成喘振的重要原因。經(jīng)過對中間冷卻器芯體認(rèn)真測量繪制圖紙并制作完成后，安裝試車，壓降為0.003MPa ，比原來低 0.037 MPa 。效果明顯。而且整體單耗降低。機組運行至今再未產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。
4 防范措施
在上述改造完成后，為了避免上述現(xiàn)象的再次發(fā)生，認(rèn)真檢查了吸風(fēng)系統(tǒng)。該吸風(fēng)系統(tǒng)為設(shè)備廠家提出的三級過濾系統(tǒng)，而同類型機組使用四級過濾，且過濾精度也比此機組高。用塵埃粒子計數(shù)器檢測空氣潔凈度與同類型的機組相比效果較差（見表 1 ）。根據(jù)檢測的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)主要是一級過濾效果不理想（尤其在小粒子方面），決定在吸風(fēng)室一級與二級過濾介質(zhì)間再增加一層粗效過濾器（DV3）作為改造后的一級過濾，以便提高過濾能力，從而提高了空氣潔凈度。改造后，檢測的空氣凈化度達(dá)到同類型機組的水平，檢測結(jié)果見表1。同時在操作規(guī)程中制定了詳細(xì)的措施，每半年監(jiān)測一次潔凈度，如發(fā)現(xiàn)變化，及時更換介質(zhì)，從而確保潔凈度。避免上述現(xiàn)象的再次發(fā)生。 
（1）送氣溫度達(dá)到要求，由更新前的45℃ 降低到28℃ 。
（2）機組運行狀態(tài)良好，再沒有發(fā)生喘振現(xiàn)象，并且改造了吸風(fēng)系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
（3）機組效率提高，電單耗由更新前的59kW·h/km3 降低到57kW·h/km3 。更新后運行了7500h ，節(jié)電（ 59 －57）×27×7500=405000kW·h，按0.45元/kW·h計算合18.23萬元。
（4）由于冷卻器垢阻減小傳熱系數(shù)增加使冷卻效果提高，冬季原兩冷卻器的用水由并聯(lián)使用改為串聯(lián)使用。供水管直徑φ159 ，循環(huán)水流速 3m/s，因串聯(lián)使用減少的一組供水管的流量為3.14×0.152÷4×3×3600=190.8t/h，實際使用90d ，節(jié)約循環(huán)水 190.8×24×90=412128t ，按0.2元/t 計算合82425.6元。
（5） 國產(chǎn)冷卻器芯體每臺在17萬元左右，而進(jìn)口冷卻器芯體在36萬元左右。節(jié)省進(jìn)口設(shè)備費用19萬元，2臺共計節(jié)省38萬元。
經(jīng)過上述的改進(jìn)后節(jié)省設(shè)備費38萬元，電耗降低18.23萬元，節(jié)水8.24萬元。三項合計64.47萬元。
